500 kVGIS設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)接地故障的原因

寇元培

(國家電投五凌電力有限公司三板溪水電廠,貴州 錦屏 556700)

以某電廠500 kVGIS設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)接地故障且無設(shè)備擊穿痕跡為例,從保護(hù)動作情況、絕緣搖測、SF6氣體檢測、設(shè)備開蓋檢查、設(shè)備設(shè)計參數(shù)復(fù)測及新設(shè)備參數(shù)比對等方面入手,查找故障原因,提出防范措施及改進(jìn)建議,以消除設(shè)備隱患。

1 發(fā)生閃絡(luò)接地故障點分析

1.1 保護(hù)動作情況

某廠在進(jìn)行圖1褐色部分開關(guān)操作時,上位機(jī)報500 kV母線保護(hù)I母母差差動保護(hù)動作,與母線相連的其他開關(guān)均跳閘,與操作開關(guān)相連的兩臺主變差動保護(hù)動作。其保護(hù)動作情況如下:故障發(fā)生時,500 kV母線保護(hù)I母母差差動保護(hù)動作,保護(hù)裝置顯示差動保護(hù)啟動13 ms后I母差動動作,C相差流為2.578 A,故障發(fā)生時C相電壓消失,A、B相電壓正常,判斷C相發(fā)生接地短路故障。與其相連的兩臺主變A、B套保護(hù)差動動作,裝置顯示差動保護(hù)啟動11 ms后主變差動速斷動作,B、C相有差動電流,故障發(fā)生時主變高壓側(cè)C相電壓消失,電流升高;主變高壓側(cè)A、B相電壓電流正常;零序電壓升高,判斷兩臺主變高壓側(cè)C相發(fā)生接地短路故障。地下開關(guān)站故障錄波裝置CB1與CB2開關(guān)電流采樣波形如圖2所示。

圖1 500kVGIS設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)接故障研判Fig.1 Investigation of flashover connection fault of 500 kV GIS equipment

圖2 CB1開關(guān)電流采樣波形圖Fig.2 Waveform of CB1 switching current sampling

地下開關(guān)站故障錄波裝置CB3開關(guān)電流采樣波形如圖3所示。地下開關(guān)站故障錄波裝置500 kVⅠ母母線電壓采樣波形如圖4所示。通過查看保護(hù)動作波形及動作事件報告發(fā)現(xiàn),在500 kVCB3開關(guān)分閘瞬間主變高壓側(cè)C相電壓消失,電流升高,故障初步判斷為故障發(fā)生在500 kV母線與主變高壓側(cè)之間,C相發(fā)生接地故障。根據(jù)保護(hù)動作情況及所配置母線差動保護(hù)、主變差動保護(hù)范圍,判斷故障發(fā)生在圖中陰影部分,故將故障設(shè)備初步判斷為操作開關(guān)C相一次側(cè)發(fā)生了接地故障,且故障點靠近母線側(cè)。

圖3 CB3開關(guān)電流采樣波形圖Fig.3 Waveform of CB3 switching current sampling

圖4 500 kVⅠ母母線電壓采樣波形圖Fig.4 500 kVⅠ bus voltage sampling waveform diagram

1.2 絕緣搖測情況

對圖1陰影區(qū)域部分內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行絕緣搖測,根據(jù)搖測結(jié)果再進(jìn)一步確認(rèn)故障點。將母線地刀ES417與兩臺主變高壓側(cè)開關(guān)靠近母線側(cè)地刀ES217作為兩個搖測點,具體操作如下:拉開CB3開關(guān)與CB3開關(guān)靠近母線側(cè)刀閘DS31及CB2開關(guān)靠近母線側(cè)地刀ES217,合上500 kV I母接地刀閘,解開CB2開關(guān)靠近母線側(cè)地刀C相接地排,使用5000 V絕緣搖表通過500 kV母線地刀C相接地點加壓,經(jīng)DS21C相對500 kVⅠ母C相進(jìn)行絕緣檢查,若發(fā)現(xiàn)異常,故障點則出現(xiàn)在500 kV母線C相。合上CB2開關(guān)靠近母線側(cè)地刀ES217,拉開500 kV I母地刀ES417,解開500 kV I母接地刀C相接地排,使用5000 V絕緣搖表,通過開關(guān)靠近母線側(cè)接地刀閘C相接地點加壓,經(jīng)DS21C相對500 kVⅠ母C相進(jìn)行絕緣檢查,若發(fā)現(xiàn)異常,故障點則出現(xiàn)在500 kV開關(guān)靠近母線側(cè)。

通過上述兩種絕緣搖測,均未發(fā)現(xiàn)異常,則可判斷故障點不在500 kV I母上,故障點為所操作的500 kV開關(guān)C相。

1.3 SF6氣室分解物純度水分測試情況

確定故障位置后,為了進(jìn)一步分析故障類型,需對故障的500 kV開關(guān)CB2C相氣室內(nèi)氣體進(jìn)行檢測,通過分析SF6中相關(guān)成分來初步判斷故障類型。使用SF6電氣設(shè)備氣體綜合測試儀對CB2開關(guān)三相SF6氣室進(jìn)行分解物純度水分測試,檢測結(jié)果如下:

表1 CB2開關(guān)三相SF6氣室分解物明細(xì)Tab.1 Details of CB2 switch three-phase SF6 chamber decomposition

1.4 故障開關(guān)氣室檢查情況

通過氣體檢測初步排除因故障開關(guān)氣室水分含量超標(biāo)而導(dǎo)致操作發(fā)生異?，F(xiàn)象。為進(jìn)一步檢查是否發(fā)生了閃絡(luò),查明發(fā)生原因,需對操作開關(guān)C相進(jìn)行開蓋檢查。開蓋前,檢查該開關(guān)兩側(cè)隔離刀閘已拉開且兩側(cè)地刀在合閘位置,確保安全措施布置到位后,抽走該開關(guān)C相氣室內(nèi)SF6氣體,再打開氣室端蓋。開蓋檢查發(fā)現(xiàn),氣室內(nèi)壁與觸頭無明顯粉塵,但故障開關(guān)C相觸頭屏蔽罩與開關(guān)外殼之間存在閃絡(luò)放電痕跡,故判斷該開關(guān)在操作時發(fā)生閃絡(luò),排除了內(nèi)部存在粉塵、環(huán)境較差引起閃絡(luò)。隨著技術(shù)的發(fā)展,可采用放電故障超聲波定位,確定故障位置并判斷故障原因。

2 開關(guān)故障原因

SF6電氣設(shè)備放電故障類型主要有硬故障(放電通道涉及觸頭的絕緣,高能放電后電氣絕緣不能恢復(fù))與軟故障(放電通道涉及SF6氣體絕緣或觸頭絕緣及SF6氣體絕緣,高能放電后電氣絕緣可恢復(fù),但因絕緣降低導(dǎo)致發(fā)生閃絡(luò))。硬故障主要考慮觸頭與屏蔽層的絕緣降低,從設(shè)計參數(shù)、制作工藝、耐壓試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。軟故障主要通過SF6氣體成分檢測方法進(jìn)行判斷。

2.1 發(fā)生軟故障的主要原因

SF6氣體中含有過量的水分是開關(guān)操作時發(fā)生閃絡(luò)的主要原因之一。SF6氣體中過量的水分在一定條件下會凝露在固體絕緣材料表面,嚴(yán)重降低材料絕緣強(qiáng)度,甚至導(dǎo)致絕緣故障。通過實驗研究不同溫度條件下SF6氣體中微水量的變化規(guī)律及微水對固體絕緣材料閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)境溫度保持不變時,微水幾乎不影響絕緣材料的閃絡(luò)電壓;當(dāng)環(huán)境溫度驟變時,SF6氣體的相對濕度升高,濕度值可達(dá)100%。微水量在一定范圍內(nèi)對絕緣材料閃絡(luò)電壓基本沒有影響,但隨著微水含量的逐漸增大,絕緣材料閃絡(luò)電壓降低且降低程度隨微水量的增多而增大。環(huán)境溫度驟升時,絕緣材料閃絡(luò)電壓更易受微水影響。

氣室內(nèi)觸頭或氣室內(nèi)壁是否有粉塵、金屬粉末是引發(fā)閃絡(luò)的主要原因。在進(jìn)行開關(guān)操作時,粉塵會因振動而分布在氣室空間內(nèi),從而降低SF6氣體的絕緣效果。通過SF6氣體成分檢測及開蓋檢查發(fā)現(xiàn),此次故障不是SF6氣體水分超標(biāo)及氣室內(nèi)衛(wèi)生差引起的。根據(jù)開關(guān)運(yùn)行情況分析,造成此次閃絡(luò)故障的原因是該開關(guān)自2006年投產(chǎn)以來在長期操作過程中產(chǎn)生了微小金屬異物,在開關(guān)分閘操作后,由于電動力場及SF6氣流的作用,異物在開關(guān)內(nèi)部由低電位移動至高電位,降低了絕緣裕度,引發(fā)了開關(guān)C相絕緣故障。

2.2 發(fā)生硬故障的主要原因

發(fā)生硬故障的主要原因有動靜觸頭距離不合適、氣室外殼直徑設(shè)計不合理、屏蔽罩絕緣降低、導(dǎo)體或表層制造工藝差而出現(xiàn)毛刺、絕緣裕度考慮不足等。

根據(jù)影響GIS開關(guān)發(fā)生閃絡(luò)的因素及相關(guān)試驗,排除氣體中微水含量超標(biāo)、粉塵等因素,根據(jù)設(shè)計參數(shù)及開關(guān)動作情況進(jìn)行研判。經(jīng)復(fù)測,該開關(guān)為2006年以前生產(chǎn)的,套管直徑比改進(jìn)后的開關(guān)外殼直徑小,且開關(guān)動靜觸頭的距離與新開關(guān)有一定的差別,新設(shè)計的開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體及絕緣層處理工藝較舊開關(guān)更優(yōu)。

綜上分析,套管直徑大小與開關(guān)動靜觸頭之間的距離直接影響開關(guān)絕緣裕度,若開關(guān)的絕緣裕度偏小,開關(guān)運(yùn)行時間久且操作次數(shù)多之后,開關(guān)氣室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化,這會降低氣室絕緣,絕緣裕度將進(jìn)一步降低,達(dá)到一定程度后其絕緣裕度將不滿足開關(guān)分閘時所需的絕緣度,進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò),這是主要原因之一。

3 故障開關(guān)處理措施

開關(guān)發(fā)生此類故障時,為了盡快恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行,滿足網(wǎng)調(diào)供電需求,一般會對開關(guān)進(jìn)行局部處理,經(jīng)試驗合格后將其投運(yùn),具體處理步驟如下:

對故障開關(guān)C相滅弧室靜側(cè)屏蔽與殼體放電灼燒痕跡進(jìn)行打磨,用吸塵器、產(chǎn)品擦拭紙清理干凈滅弧室靜側(cè)屏蔽及殼體、導(dǎo)體、絕緣件、筒璧等部件,對殼體金屬部分(灼傷部分)涂敷專用絕緣油漆。

故障開關(guān)C相氣室封蓋后對氣室進(jìn)行抽真空、充氣、靜置等,嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)靜止72 h,檢查氣室是否漏氣,氣壓是否滿足要求。上述條件滿足后,對氣室內(nèi)氣體含量進(jìn)行檢測。檢測正常后,根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》(DL/T596-2021)《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》(GB50150-2016)相關(guān)要求,對開關(guān)進(jìn)行絕緣電阻、導(dǎo)電回路電阻、動作特性試驗及分合閘最低動作電壓試驗等。根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》(2023版),對與保護(hù)動作相關(guān)主變進(jìn)行繞組電阻測量、繞組變形等診斷性試驗,綜合判斷無異常后,根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求對發(fā)生故障的開關(guān)進(jìn)行1h耐壓試驗。上述試驗結(jié)果均正常后方可將開關(guān)投入運(yùn)行。

但上述措施不能解決因設(shè)備設(shè)計、制作工藝等原因?qū)е碌脑O(shè)備安全隱患。為了從根本上解決此類問題,需對該類型開關(guān)或設(shè)備進(jìn)行改造換型,增加開關(guān)氣室外殼直徑及動靜觸頭之間的距離,從而增加開關(guān)氣室絕緣裕度。

4 結(jié)束語

設(shè)備需防止開關(guān)發(fā)生閃絡(luò)故障,但隨著開關(guān)運(yùn)行時間的增加,其內(nèi)部環(huán)境可能發(fā)生變化,當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)金屬顆?；騍F6氣體成分不滿足絕緣要求及環(huán)境溫度發(fā)生巨大變化等情況時,進(jìn)行開關(guān)操作將存在發(fā)生閃絡(luò)故障的風(fēng)險。需定期對開關(guān)內(nèi)SF6氣體成分進(jìn)行檢測,開展超聲及局放帶電檢測,檢查相關(guān)指標(biāo)是否滿足運(yùn)行要求,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀況,避免發(fā)生此類事故。